Исследователи из Корнелла использовали передовые методы электронной микроскопии, чтобы обнаружить неожиданную атомную структуру в недавно открытом классе сверхпроводников на основе никеля. 
Предоставлено: Корнельский университет.

Никелаты — это класс материалов, который взбудоражил ученых из-за его недавно обнаруженной сверхпроводящей способности, и теперь новое исследование, проведенное Корнеллом, изменило то, что ученые предполагали, что эта способность может возникнуть, предоставив план того, как в будущем могут быть разработаны более функциональные версии.

Сверхпроводимость была предсказана в оксидных соединениях на основе никеля, или никелатах, более 20 лет назад, но впервые реализована экспериментально только в 2019 году и только в образцах, выращенных в виде очень тонких кристаллических пленок толщиной менее 20 нанометров наслоены на материал несущей подложки.

Исследователи во всем мире работают над тем, чтобы лучше понять микроскопические детали и происхождение сверхпроводимости никелатов, пытаясь создать образцы, которые успешно сверхпроводят в макроскопической «объемной» кристаллической форме, но пока не добились успеха. Это ограничение побудило некоторых исследователей предположить, что сверхпроводимость связана не с никелатной пленкой, а скорее с границей раздела атомов, где встречаются пленка и подложка.

В «Разрешении полярной границы раздела бесконечных слоев никелатных тонких пленок», опубликованном в Nature Materials, исследовательская группа под руководством Лены Куркутис, доцента прикладной и инженерной физики, и Берита Гуджа, доктора философии в 2022 году руководитель Minerva Group в Институте химической физики твердых тел им. Макса Планка, использовал передовой сканирующий просвечивающий электронный микроскоп и спектроскопию потерь энергии электронов, чтобы получить беспрецедентный взгляд на атомный интерфейс между никелатной пленкой и ее подложкой из титаната стронция.

То, что они обнаружили, было промежуточным соединением, образующимся на границе раздела, которое никогда не было предсказано и которое уменьшало накопление электронного заряда, которое могло привести к сверхпроводимости. Это открытие доказало, что ранее предложенная модель сверхпроводящего интерфейса неверна— вместо этого сверхпроводимость возникает в самой никелатной пленке.

«Важным результатом нашей работы стало установление того, как на самом деле выглядит атомарная и электронная структура интерфейса», — сказал Куркутис. «Предыдущая работа предполагала структуру, которой, насколько мы видим, просто не существует. Сейчас мы предоставляем истинную структуру этого интерфейса, чтобы ученые могли использовать эту информацию для лучшего понимания этих материалов и создания новых вариаций в будущее."

Открытие обнадеживает ученых, потому что оно показывает, что сверхпроводимость может не зависеть от геометрии тонкой пленки. Это означает, что, по словам Гуджа, создание сверхпроводящих объемных кристаллов теоретически должно быть возможно.

«Есть определенные эксперименты по исследованию фундаментальной физики этой системы, которые невозможно провести, пока у нас не появятся действительно высококачественные объемные кристаллы», — сказал Гудж. «Итак, несмотря на то, что тонкие пленки являются отличной платформой, мы хотим иметь возможность расширяться до более крупных кристаллов, чтобы проводить другие измерения. Теперь мы знаем, что нет какого-то фундаментального физического ограничения, почему сверхпроводимость возникает только в тонких пленках».

Гудж добавил, что эти усилия будут способствовать прогрессу в более широком диапазоне семейств сверхпроводников для разработки новых соединений для технологических приложений.